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中安在線、中安新聞客戶端訊 催化劑作為現(xiàn)代工業(yè)的核心技術(shù)，在能源轉(zhuǎn)化、化工生產(chǎn)、環(huán)境保護等領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。穩(wěn)定性和催化活性是催化劑性能的兩大核心指標。高度穩(wěn)定的催化結(jié)構(gòu)不僅支撐了工業(yè)裝置的長周期運行，更為復(fù)雜反應(yīng)的高效進行提供了可靠保障。

近期，中國科學技術(shù)大學曾杰教授課題組取得突破性進展，成功開發(fā)了一種新型納米島結(jié)構(gòu)催化劑，有效突破了負載型催化劑燒結(jié)難題。3月10日，相關(guān)研究成果正式發(fā)表在國際知名期刊《自然材料》上。

曾杰介紹，他們通過在催化劑載體和金屬納米顆粒之間構(gòu)建一種小尺寸、互不相連的氧化物團簇，成功實現(xiàn)了"納米島"的創(chuàng)新設(shè)計。在催化反應(yīng)中，這種結(jié)構(gòu)就像海洋中的散落小島，使得金屬納米顆粒就像被困在海島中的千軍一樣，被牢牢束縛在納米島中無法脫離，從而有效避免了燒結(jié)問題。

該創(chuàng)新性結(jié)構(gòu)催化劑及其示意圖（課題組供圖）

在眾多催化反應(yīng)中，超細金屬納米顆粒因其表面積大、原子利用率高而備受關(guān)注。研究人員通常將其作為載體制劑，與金屬納米顆粒組合成負載型催化劑。

然而，超細金屬納米顆粒在實際應(yīng)用中極易受高溫、復(fù)雜化學環(huán)境等因素影響，導致顆粒自發(fā)聚集，活性顯著下降。這一現(xiàn)象被稱為催化劑的燒結(jié)。

催化劑燒結(jié)路徑主要取決于載體對金屬納米顆粒的錨定作用。當錨定作用較弱時，顆粒會在載體表面隨機遷移，最終發(fā)生碰撞聚集；當錨定作用過強時，金屬原子從顆粒表面崩解，重新融入附近顆粒，最終形成大尺寸顆粒，導致催化活性急劇下降。

因此，開發(fā)抗燒結(jié)性能優(yōu)異的催化劑，尤其是能夠在極端條件下保持穩(wěn)定性的新型納米顆粒，成為催化科學和材料科學領(lǐng)域的重大課題。

本次研究中，曾杰團隊基于深入的燒結(jié)機制研究，創(chuàng)新性地構(gòu)建了新型納米島結(jié)構(gòu)催化劑。與傳統(tǒng)載體固定型催化劑不同，他們采用在納米顆粒與載體之間嵌入小尺寸、分布均勻的金屬氧化物團簇，并以其互不相連的特征命名為"納米島"。

在催化反應(yīng)中，納米島的錨定作用更強時，納米顆粒的遷移傾向得到抑制。同時，由于納米島之間互不相連，無法實現(xiàn)金屬原子的跨島遷移。因此，這種結(jié)構(gòu)可以同時阻斷兩種主要的燒結(jié)路徑，顯著提升了其抗燒結(jié)性能。

為制備納米島結(jié)構(gòu)催化劑，研究團隊首先在氧化物和載體之間建立了增強吸附能力，通過受控團聚技術(shù)在高溫條件下獲得了尺寸較小、密度假設(shè)較高的氧化物納米島。相較于常規(guī)的多組分催化劑，本研究的創(chuàng)新之處在于實現(xiàn)了金屬顆粒在納米島上的精確沉積。為此，研究團隊巧妙地引入了電性匹配原理，利用載體與納米島之間的電性差異窗口構(gòu)建了定向吸附機制，使金屬離子優(yōu)先附著在納米島上；隨后結(jié)合溶劑的蒸發(fā)作用，引導金屬離子向納米島周圍富集。經(jīng)過高溫氫氣還原處理，最終獲得了被納米島錨定的超微細金屬納米顆粒。

研究團隊系統(tǒng)性地構(gòu)建了納米島催化劑的材料庫，涵蓋多達270種可定制化的結(jié)構(gòu)組合。其中，氧化硅負載的氧化鑭納米島對釕納米顆粒的穩(wěn)定性表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢：在持續(xù)800攝氏度氫氣還原條件下，氧化物載體負載的釕納米顆粒經(jīng)數(shù)小時燒結(jié)后尺寸穩(wěn)定在70納米；而采用納米島結(jié)構(gòu)的釕納米顆粒則穩(wěn)定在1.4納米的級別。

為了評估納米島結(jié)構(gòu)催化劑在極端苛刻條件下的抗燒結(jié)性能，研究團隊將其應(yīng)用于甲烷干重整反應(yīng)的研究。該反應(yīng)因其在溫室氣體資源化利用領(lǐng)域的巨大潛力而備受關(guān)注。

實驗數(shù)據(jù)顯示，納米島催化劑在高氣體流速下實現(xiàn)了400小時的穩(wěn)定轉(zhuǎn)化效率，成功應(yīng)對了高溫及還原性氣氛導致的催化劑失活問題。值得注意的是，最終制備得到的1.4納米超細釕納米顆粒在納米島上保持穩(wěn)定不動，充分證明了納米島結(jié)構(gòu)在抗燒結(jié)催化劑應(yīng)用中的關(guān)鍵作用。

該研究的審稿專家評價道："本研究開發(fā)了一種高效且實用的抗燒結(jié)催化劑制備策略，對多種材料體系具有普遍指導意義。" 記者：汪喬